縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層壓裂效果評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)研究

李新勇， 耿宇迪， 劉志遠(yuǎn)， 汪文智， 周 舟

（1. 中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 831000；2. 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（北京）），北京 102249；3. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

縫洞型碳酸鹽巖油氣藏是當(dāng)前油氣資源開發(fā)的重點(diǎn)，但其儲(chǔ)層基質(zhì)十分致密，需要通過水力壓裂創(chuàng)造滲流通道。而且，縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋藏深，地層溫度高，儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重，壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律及形態(tài)與常規(guī)儲(chǔ)層有較大區(qū)別。因此，需要通過試驗(yàn)分析明確縫洞型碳酸鹽巖壓裂裂縫擴(kuò)展溝通情況和壓裂改造效果，并提出適用于縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的壓裂效果評(píng)價(jià)方法。

截至目前，國(guó)內(nèi)外已針對(duì)水力壓裂試驗(yàn)和壓裂效果評(píng)價(jià)開展了較多研究：汪虎等人[1]采用真三軸巖土工程模型試驗(yàn)機(jī)和工業(yè)CT 掃描技術(shù)，建立了頁(yè)巖水力壓裂物理模擬與壓裂裂縫表征方法，但未對(duì)裂縫擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行分析；侯冰等人[2]基于裂縫性頁(yè)巖水力壓裂模擬試驗(yàn)，分析了頁(yè)巖水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律，提出了裂縫擴(kuò)展規(guī)模評(píng)價(jià)方法，并研究了地質(zhì)和工程因素對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響；侯冰等人[3]還利用天然巖心和人造巖心進(jìn)行了水力壓裂試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)了裂縫擴(kuò)展的物理過程，并分析了影響水力裂縫擴(kuò)展的因素，但未對(duì)裂縫進(jìn)行剖切分析；M. K. Fisher 等人[4-5]分析了微地震裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果，認(rèn)為水力裂縫在平面上和深度上呈復(fù)雜的網(wǎng)狀擴(kuò)展形態(tài)，且壓裂液體積越大，微地震事件的波及面積越大，產(chǎn)量越高；M. J. Mayerhofer 等人[6-7]結(jié)合微地震技術(shù)研究了Barnett 頁(yè)巖的水力裂縫形態(tài)，并建立了SRV 計(jì)算方法，提出了 “改造油藏體積” 的概念，認(rèn)為頁(yè)巖增產(chǎn)改造體積越大，增產(chǎn)效果越好，該概念的提出實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓裂效果的量化評(píng)價(jià)，但局限于頁(yè)巖巖性和產(chǎn)狀，難以應(yīng)用于其他巖性儲(chǔ)層；房好青等人[8]針對(duì)實(shí)際壓裂施工需求，開展了裂縫轉(zhuǎn)向模擬研究，模擬計(jì)算了裂縫在地層中的轉(zhuǎn)向擴(kuò)展情況，并分析和評(píng)價(jià)了轉(zhuǎn)向擴(kuò)展影響因素和擴(kuò)展效果；李春月等人[9]改進(jìn)了暫堵壓裂轉(zhuǎn)向方面的實(shí)驗(yàn)研究方法，明確了暫堵壓裂過程中的影響因素及影響規(guī)律，提出了基于暫堵壓裂的儲(chǔ)層改造方法及改造效果評(píng)價(jià)理念；考佳瑋等人[10]對(duì)不同施工參數(shù)下深層頁(yè)巖壓裂裂縫的復(fù)雜程度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，發(fā)展了頁(yè)巖壓裂效果評(píng)價(jià)體系。但上述關(guān)于水力壓裂的研究多集中在中低應(yīng)力常規(guī)砂巖、頁(yè)巖等巖性儲(chǔ)層，缺乏對(duì)高地應(yīng)力差深層縫洞型碳酸鹽巖壓裂、壓裂裂縫溝通效果的研究，直接采用大尺寸縫洞型碳酸鹽巖的試驗(yàn)不多見。隨著縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層壓裂改造的不斷發(fā)展，有必要開展適用于縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征的大尺寸、真三軸水力壓裂物理模擬試驗(yàn)，并利用試驗(yàn)結(jié)果建立縫洞型碳酸鹽巖壓裂效果評(píng)價(jià)體系。

為此，筆者以人造縫洞碳酸鹽巖巖心為壓裂試驗(yàn)對(duì)象，重點(diǎn)通過壓裂后剖切的方式分析了縫洞型碳酸鹽巖壓裂裂縫形態(tài)和延伸規(guī)律，并針對(duì)巖心內(nèi)存在的水力裂縫與天然裂縫、孔洞溝通的特性，提出了 “縫洞溝通系數(shù)” 的概念，以期定量分析水力裂縫在縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的延伸特征和評(píng)價(jià)縫洞型碳酸鹽巖的壓裂改造效果。

1 試驗(yàn)巖心和儀器

1.1 人造巖心

為充分還原縫洞型碳酸鹽巖地層條件，需要根據(jù)儲(chǔ)層地質(zhì)構(gòu)造、地層巖石物性制備符合要求的人造巖心，要求該人造巖心可以控制天然裂縫和孔洞的形態(tài)、方位和大小，從而能觀測(cè)和定量描述壓裂試驗(yàn)結(jié)果與裂縫擴(kuò)展形態(tài)，而且人造巖心的巖石力學(xué)性質(zhì)和巖石礦物組分、物化性質(zhì)等要與天然巖心相符。根據(jù)微地震研究結(jié)果，縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層中僅有少量?jī)?chǔ)集體位于井周近井區(qū)，大多數(shù)串珠儲(chǔ)集體位于遠(yuǎn)井區(qū)（見圖1），需要采用靶向壓裂、體積壓裂等手段溝通天然裂縫和孔洞儲(chǔ)集體。因此，人造巖心中應(yīng)有分布于近井地帶的天然裂縫和位于遠(yuǎn)井不同方位的孔洞，以與實(shí)際地層相符。

圖 1 地層儲(chǔ)集體分布示意Fig.1 Distribution diagram of stratigraphic reservoir

在未壓實(shí)的方解石粉與樹脂膠混合物中放置預(yù)制天然裂縫和孔洞，然后利用大型液壓機(jī)壓實(shí)，靜置后利用巖石切割機(jī)進(jìn)行切割加工，將其加工成尺寸為 300 mm×300 mm×300 mm 的立方體，此即試驗(yàn)用人造縫洞型碳酸鹽巖巖心（ 簡(jiǎn)記為“ 人造巖心”），其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖 2 人造碳酸鹽巖巖心縫洞分布示意Fig.2 Schematic diagram of artificial carbonate core

人造巖心制備過程中，通過調(diào)控方解石粉和樹脂凝膠的比例，可以控制人造巖心的物性參數(shù)。為驗(yàn)證人造巖心的還原效果，對(duì)其物性參數(shù)進(jìn)行了真三軸巖石力學(xué)測(cè)試，表明該人造巖心和天然巖心（露頭）具有相似的彈性模量、泊松比和孔滲特性，具體參數(shù)對(duì)比見表1。

根據(jù)壓裂試驗(yàn)相似準(zhǔn)則，將人造巖心中預(yù)制的天然裂縫放置于井筒周圍150 mm 范圍內(nèi)，即近井區(qū)；預(yù)制孔洞放置于水平主應(yīng)力方向及45°方向（見圖2（b））。該設(shè)置方式便于計(jì)算縫洞溝通系數(shù)，定量評(píng)價(jià)裂縫擴(kuò)展復(fù)雜程度及壓裂效果。

表 1 人造巖心與天然巖心參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison on the parameters of artificial core and natural core

人造巖心的外形尺寸加工完成后，在其中部沿著平行層理面方向鉆出直徑20.0 mm、長(zhǎng)度170 mm的圓孔，作為模擬井眼；將長(zhǎng)度為130 mm 的鋼質(zhì)注液管分別粘接到試件的中心孔中，用以模擬井筒；在井筒下方預(yù)留40 mm 的裸眼井段，模擬裸眼完井。人造巖心及井筒如圖3 所示。

圖 3 模擬井筒示意Fig.3 Schematic diagram of simulated wellbore

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用中國(guó)石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、組建的大尺寸真三軸水力壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖 4 真三軸水力壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Physical simulation experiment system of true triaxial hydraulic fracturing

該試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)架采用扁千斤頂對(duì)人造巖心的側(cè)面施加剛性載荷，根據(jù)水力壓裂特點(diǎn)，在其中的一個(gè)水平方向上采用3 對(duì)扁千斤頂分別模擬產(chǎn)層和上、下隔層的地應(yīng)力，在其他2 個(gè)方向各放置一對(duì)扁千斤頂以模擬垂向地應(yīng)力和最大水平地應(yīng)力。多通道穩(wěn)壓源向扁千斤頂提供液壓力，各通道的壓力大小可分別控制，每個(gè)通道的最大供液壓力可達(dá)27 MPa。

該試驗(yàn)系統(tǒng)采用MTS 伺服增壓泵和油水分隔器向模擬井眼泵注高壓液體。MTS 伺服增壓泵具有程序控制器，既能以恒定的排量泵注液體，也可按預(yù)先設(shè)定的泵注程序進(jìn)行。試驗(yàn)過程中，利用MTS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓裂液壓力、排量等參數(shù)。MTS 伺服增壓泵的工作介質(zhì)是液壓油，因此采用水或其他介質(zhì)為壓裂液時(shí)，在管路上設(shè)置一個(gè)油水隔離器，將MTS 的工作介質(zhì)與壓裂液分隔開。本試驗(yàn)將用一臺(tái)滑套式油水隔離器，在厚壁圓柱形高壓釜中設(shè)置一隔離滑套，將其兩側(cè)的油、水分隔開。隔離器容積為700 mL，承壓能力為60 MPa，能夠滿足壓裂模擬試驗(yàn)的要求。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案

利用真三軸水力壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬深層碳酸鹽巖裸眼水力壓裂，考察不同水平地應(yīng)力情況下水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)及其在天然裂縫干擾下的縫網(wǎng)形態(tài)。參考現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工數(shù)據(jù)，根據(jù)相似準(zhǔn)則[11]，得到相似指標(biāo)：

式中：cL為 試樣尺寸相似指標(biāo)；cKL為壓裂液綜合濾失系數(shù)相似指標(biāo)；cpf為地層孔隙壓力相似指標(biāo)；cQ為 排量相似指標(biāo)；ct為壓裂時(shí)間相似指標(biāo)；cη為壓裂液黏度相似指標(biāo)；cp為 壓力相似指標(biāo)；cσzz為地應(yīng)力相似指標(biāo)；cEe為 彈性模量相似指標(biāo)；cKIC為斷裂韌性相似指標(biāo)；cγ為臨界裂縫寬度相似指標(biāo)。

根據(jù)上述相似指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工數(shù)據(jù)，得到本文的具體試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)情況見表2。其中，試樣1～6 為天然裂縫發(fā)育程度（即截面上天然裂縫面積所占比例）9% 的人造巖心，試樣7～10 為天然裂縫發(fā)育程度6% 的人造巖心，試樣11～13 為天然裂縫發(fā)育程度12% 的人造巖心。

表 2 試驗(yàn)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)情況Table 2 Correspondence between the experimental parameters and field fracturing datas

基于塔河油田奧陶系縫洞型碳酸鹽巖壓裂層段地應(yīng)力、施工所用排量和壓裂液黏度等條件，結(jié)合縫洞型碳酸鹽巖壓裂模擬試驗(yàn)相似準(zhǔn)則和實(shí)際模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的工作參數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)?？p洞型碳酸鹽巖壓裂模擬試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則中，地應(yīng)力、破裂壓力受彈性模量控制，壓裂液排量及時(shí)間受試樣尺寸控制，壓裂液黏度受試樣尺寸、排量和彈性模量的綜合影響。推導(dǎo)相似準(zhǔn)則時(shí)，考慮了實(shí)際碳酸鹽巖儲(chǔ)集層多裂縫、多孔洞、基質(zhì)滲透率低的特征及壓裂施工條件。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

壓裂試驗(yàn)結(jié)束后，沿著壓開的裂縫面打開頁(yè)巖，根據(jù)示蹤劑的分布，觀察分析碳酸鹽巖試樣內(nèi)部水力壓裂裂縫幾何形態(tài)及其與天然裂縫和天然孔洞的溝通情況，并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行定量分析。根據(jù)侯冰等人[2]提出的 “裂縫溝通面積SRA” 評(píng)價(jià)方法，對(duì)縫洞型碳酸鹽巖人造試樣（見圖5）進(jìn)行了分析，得到該試樣形成的主裂縫SRA 為1.00，天然裂縫SRA為0.75。但與相同SRA 值的頁(yè)巖壓裂結(jié)果（見圖6）對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 縫洞型碳酸鹽巖的實(shí)際壓裂效果與SRA 值并不相符。頁(yè)巖試樣形成1 條主縫，打開1 個(gè)層理面、3 條天然裂縫，并在試樣末端發(fā)生轉(zhuǎn)向；而縫洞型碳酸鹽巖試樣形成1 條長(zhǎng)裂縫，溝通2 條傾角45°的天然裂縫，并有壓裂液滲濾進(jìn)入傾角75°的天然裂縫，溝通與最大水平主應(yīng)力夾角為0°和45°的孔洞。

圖 5 人造巖心壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Experimental results of fracturing on artificial core

圖 6 相同SRA 值的頁(yè)巖壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 Experimental result of fracturing in shale with the same SRA value

分析認(rèn)為，縫洞型碳酸鹽巖基質(zhì)致密，膠結(jié)程度強(qiáng)，與硬脆性頁(yè)巖在巖石力學(xué)性質(zhì)方面有較大差異，且內(nèi)部發(fā)育有較多的高角度、低開度天然裂縫，并含有半充填的孔洞。因此，其壓裂效果與泥頁(yè)巖有很大差異，如果使用裂縫溝通面積評(píng)價(jià)壓裂效果，很難將壓裂裂縫溝通天然裂縫及孔洞的情況表述清楚。對(duì)于縫洞型儲(chǔ)層來說，壓裂裂縫能否溝通天然裂縫與孔洞儲(chǔ)集體才是評(píng)價(jià)壓裂效果的關(guān)鍵。由此可知，常規(guī)評(píng)價(jià)方法不適用于縫洞型碳酸鹽巖。

3 縫洞溝通系數(shù)評(píng)價(jià)方法

針對(duì)常規(guī)壓裂效果評(píng)價(jià)方法不適用于縫洞型碳酸鹽巖的問題，筆者基于M.K.Fisher 等人[4]利用裂縫形態(tài)復(fù)雜程度描述水力裂縫形態(tài)的方法，提出了“縫洞溝通系數(shù)” 的概念，作為評(píng)價(jià)試樣壓裂效果的指標(biāo)。

縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫密度大、發(fā)育程度好，且有效儲(chǔ)集空間多為大尺寸孔洞或串珠狀孔洞，根據(jù)這種特征，綜合計(jì)算壓裂裂縫與天然裂縫、孔洞的溝通情況，以更有效地評(píng)價(jià)壓裂儲(chǔ)層改造效果及裂縫復(fù)雜度。因此，將水力裂縫擴(kuò)展溝通的天然裂縫比例與溝通的孔洞比例之和定義為縫洞溝通系數(shù)。該系數(shù)取值為0～2：取值為0 時(shí)，表示水力裂縫未溝通任何天然裂縫和孔洞；取值為2 時(shí)，表示水力裂縫溝通全部天然裂縫和孔洞。同時(shí)，根據(jù)前人提出的復(fù)雜程度理論和模擬試驗(yàn)結(jié)果，定義水力裂縫進(jìn)入天然裂縫但并未在天然裂縫內(nèi)重新起裂，則為溝通0.5 條天然裂縫，若完全開啟天然裂縫并重新起裂，則為溝通1.0 條天然裂縫；壓裂裂縫進(jìn)入孔洞，但并未再起裂，則為溝通0.75 個(gè)孔洞，若在洞中重新起裂，則為溝通1.0 個(gè)孔洞。如此設(shè)定之后，采用縫洞溝通系數(shù)不僅能評(píng)價(jià)壓裂裂縫復(fù)雜程度，還能評(píng)價(jià)壓裂效果及裂縫擴(kuò)展趨勢(shì)?？p洞溝通系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：Ω為縫洞溝通系數(shù)； αi為第i條天然裂縫的裂縫權(quán)重系數(shù)； βj為第j個(gè)孔洞的孔洞權(quán)重系數(shù)；n為溝通的天然裂縫數(shù)；m為溝通的天然孔洞數(shù)；N為天然裂縫總數(shù)；M為孔洞總數(shù)。

統(tǒng)計(jì)分析了試驗(yàn)中水力裂縫實(shí)際溝通的天然裂縫數(shù)和孔洞數(shù)，得到了水平地應(yīng)力差對(duì)縫洞溝通系數(shù)的影響情況，如圖7 所示。

圖 7 水平地應(yīng)力差對(duì)縫洞溝通系數(shù)的影響Fig.7 The influence of horizontal in-situ differential stress on the fractured-vuggy communication coefficient for fractured-dvuggy reservoirs

由圖7 可知，對(duì)于相同裂縫密度的縫洞型碳酸鹽巖試樣，低水平地應(yīng)力差縫洞溝通系數(shù)約為0.8～1.1 ，中等水平地應(yīng)力差縫洞溝通系數(shù)約為0.6～0.8，高水平地應(yīng)力差縫洞溝通系數(shù)約為1.2～1.5。即水平地應(yīng)力差對(duì)縫洞型碳酸鹽巖復(fù)雜裂縫、孔洞溝通的影響趨勢(shì)為：低水平地應(yīng)力差能獲得中等溝通系數(shù)，高水平地應(yīng)力差能獲得高溝通系數(shù)。

上述規(guī)律與常規(guī)儲(chǔ)層低應(yīng)力差能獲得更高的壓裂裂縫擴(kuò)展復(fù)雜度的認(rèn)識(shí)相悖。為此，將試驗(yàn)中天然裂縫的溝通情況與縫洞總體溝通情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖8（圖8 中，紅色曲線為天然裂縫溝通系數(shù)，藍(lán)色曲線為縫洞溝通系數(shù)）。

由圖8 可知，對(duì)單純裂縫而言，溝通系數(shù)隨著水平地應(yīng)力差增大而減小，即高水平地應(yīng)力差下水力裂縫與天然裂縫溝通交互程度差，該結(jié)論與常規(guī)儲(chǔ)層規(guī)律相同；但對(duì)縫洞而言，綜合溝通系數(shù)則為先減小后增大。分析認(rèn)為，其原因應(yīng)是低水平地應(yīng)力差條件下的水力裂縫擴(kuò)展距離有限，溝通的多是近井天然裂縫，難以溝通位于遠(yuǎn)井區(qū)域的孔洞，因此裂縫溝通系數(shù)更大，而孔洞溝通系數(shù)較??；隨著水平地應(yīng)力差增大，裂縫溝通系數(shù)減小趨勢(shì)更為明顯，但水力裂縫能夠突破近井多天然裂縫地帶，獲得更長(zhǎng)的延伸距離，從而更多溝通天然孔洞，使綜合縫洞溝通系數(shù)更大。該系數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)施工中的意義在于，借助相似準(zhǔn)則，基于試驗(yàn)縫洞溝通系數(shù)，可給出實(shí)際地層條件下不同施工參數(shù)能夠達(dá)到的壓裂改造效果，從而為設(shè)計(jì)施工參數(shù)提供參考。

圖 8 縫洞溝通系數(shù)與裂縫溝通系數(shù)隨地應(yīng)力差變化情況對(duì)比Fig. 8 Comparison on the change of fractured-vuggy communication coefficient and fracture communication coefficient with in-situ differential stress

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）人造縫洞型碳酸鹽巖巖心，具有可以人為設(shè)置調(diào)整縫洞數(shù)量和方位的優(yōu)點(diǎn)，用其可以定量分析評(píng)價(jià)壓裂效果、研究裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

2）縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層中，水平地應(yīng)力差對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律與常規(guī)儲(chǔ)層不同。利用縫洞型儲(chǔ)層壓裂效果分析方法分析試驗(yàn)結(jié)果可知，天然裂縫和孔洞發(fā)育程度高的地層，水平地應(yīng)力差越大，孔洞溝通效果越好。

3）縫洞溝通系數(shù)的提出，提高了分析壓裂裂縫擴(kuò)展溝通情況、評(píng)價(jià)縫洞碳酸鹽巖儲(chǔ)層壓裂改造效果的針對(duì)性。以縫洞溝通系數(shù)為指標(biāo)的定量分析，將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工數(shù)據(jù)結(jié)合，為儲(chǔ)層壓裂改造效果評(píng)價(jià)提供了可靠方法。